【摘要】：天線的方向圖為天線設計中最為重要的指標之一,而方向圖的綜合也是天線領域研究的熱點問題。本文在前人的基礎上,系統(tǒng)的給出了陣元方向圖分集(Element-Level Pattern Diversity,ELPD)綜合法。有別于傳統(tǒng)的陣因子綜合法,陣元方向圖分集綜合法可以為天線陣列提供一個新的自由度,從而為天線綜合帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。其次,著重研究了在軍事與通信中應用廣泛的錐狀波束天線的綜合。本論文主要的工作及創(chuàng)新點可以概括如下:(1)系統(tǒng)給出了利用陣元方向圖分集技術綜合線天線陣的理論和方法:有別于陣因子綜合法,陣元方向圖分集綜合法中,各個陣元的方向圖是不相同的。因此,遠場方向圖由波程差和陣元方向圖的遠場疊加共同決定,從而引入了一個新的自由度。首先利用傅里葉變換法對陣元方向圖分集陣列進行綜合,并給出了其物理含義。實際應用中每個陣元的饋電幅度和相位由人工蜂群(ABC)算法給出。通過端射及邊射的幾個例子,對比了陣元方向圖分集陣列與傳統(tǒng)陣列的結果,并分析了兩種陣列的敏感度,給出了陣元方向圖分集綜合法的優(yōu)缺點。結果表明陣元方向圖分集陣列適用于綜合電流快速變化的陣列,如平頂波束和雙波束等。使用陣元方向圖分集綜合法能在使用較少陣元數(shù)的情況下得到和陣因子綜合法類似的結果,因此可以簡化饋電網(wǎng)絡的設計。同時,陣列的敏感度也降低了。(2)針對雙波束增益及波束指向角靈活控制的需求,利用陣元方向圖分集技術設計了一個雙波束天線:利用SMA接頭對SIW腔體饋電,并在腔體上開槽對長方形貼片進行饋電。長方形貼片的長度決定了其表面激勵起的模式,不同的方向圖由不同的模式實現(xiàn)。利用此理念設計并加工了一個3陣元陣列。測試結果顯示天線在中心頻率為5.8GHz的10dB阻抗帶寬為11%,波束指向角為49°,最大增益為10.1dBi,從而驗證了理論的有效性。(3)針對高增益且E面H面波束寬度等化天線的需求,利用陣元方向圖分集技術設計了一種磁電偶極子陣列:陣列的E面方向圖由不同模式的偶極子遠場疊加得到的,而H面方向圖則主要依靠陣因子來進行綜合。因此,使得一維陣列能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)二維陣列的效果。設計并加工了一個3陣元陣列以驗證理論的正確性。測試結果表明,天線在中心頻率為2.4GHz的10dB阻抗帶寬為12.5%,在帶寬內(nèi)均能保持E面與H面方向圖波束寬度一致。(4)針對指定傾角下高增益錐狀波束天線的需求,提出一種基于同心圓環(huán)結構的陣元方向圖分集陣列:同心圓環(huán)結構可以分為同心電流環(huán)與同心磁流環(huán)。通過仿真驗證了同心電流環(huán)綜合錐狀波束的可行性。利用嵌套喇叭結構實現(xiàn)同心磁流環(huán)陣列。設計并加工了一個3陣元同心磁流環(huán)嵌套喇叭陣列。測試結果表示,陣列的波束指向角為18°,增益為10.9dBi,阻抗帶寬為6%。(5)對陣元方向圖分集綜合與共形陣列,時間調制陣列結合做了初步的研究:仿真結果表明陣元方向圖分集綜合法可以適用于共形陣列與時間調制陣列,同時依舊具有節(jié)省陣元數(shù)等優(yōu)點。(6)利用圓介質柱漏波天線實現(xiàn)了雙錐狀波束天線:通過調整介質加載的參數(shù),可以使圓介質柱產(chǎn)生輻射。同時恰當?shù)恼{整漏波周期,可以實現(xiàn)所需要的波束指向。設計并仿真了一個雙錐狀波束天線,兩個波束指向角分別為117.5°與123.2°,仿真的增益為11.3dBi與11.18dBi。(7)針對高增益大角度平面結構的錐狀波束天線的需求,提出了一個基于共面波導饋電的串饋陣列:共面波導結構可以在得到周向對稱方向圖的情況下保持平面結構。天線的副瓣由泰勒分布來控制。通過對天線陣元的相位進行補償,可以精確的控制波束指向。在理論的基礎上設計并加工測試了一個16陣元的天線。天線在中心頻率為10.5GHz的15dB反射系數(shù)阻抗帶寬為11.4%。在中心頻率處的增益和副瓣電平為10.5dBi和-20dB。測試的波束指向角為77°。
【圖文】：

圖１．１新型陣列技術示意圖：（ａ）頻率分集陣列，（ｂ）時間調制陣列逡逑在傳統(tǒng)陣列中，，陣元的形式、規(guī)格及排列取向均一致，因此其方向圖也完全相同

圖１．２錐狀波束方向圖示意圖逡逑
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN820

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本文編號：2655642